原子物理X射线分析课件

§6.1X射线的发现及其波动性§6.3康普顿效应X射线的产生机制§6.2教学内容§6.4

X射线的吸收第六章X射线§6.1X射线的发现及其波动性§6.3康普顿教学要求（1）了解X射线发现的实验事实、产生方法，掌握X射线的连续谱与标识谱的特征和产生的机制，解释同X射线有关的原子能级产生的原因。（2）了解X射线的吸收的规律，掌握康普顿散射，理解光子与物质的相互作用，了解—同步辐射装置的原理与应用。（3）了解X射线在晶体中的衍射的规律。教学要求（1）了解X射线发现的实验事实、产生方法，掌握X射重点X射线连续谱与标识谱及产生机制莫色勒定律康普顿散射难点X射线的连续谱与标识谱产生机制莫色勒定律康普顿散射重点难点§6.1X射线的发现及其波动性电磁波谱X射线的发现X射线的衍射X射线的偏振§6.1X射线的发现及其波动性电磁波谱X射线的发现X760nm400nm

可见光

电磁波谱红外线

紫外线

射线X射线长波无线电波频率波长短波无线电波无线电波可见光红外线紫外光X射线

射线760nm400nm可见光电磁波谱红外线十九世纪末的三大发现，揭开了近代物理的序幕：（1）1895年德国的Rontgen（伦琴）发现X射线；（2）1896年，法国的Becguerel（贝克勒尔）发现了放射性；（3）1897年，英国的Thomson（汤姆逊）发现了电子。十九世纪末的三大发现，揭开了近代物理的序幕：

在1895年以前，由阴极射线管产生的X射线在实验里已经存在了30多年，在射线发现前，不断有人抱怨，放在阴极射线管附近的照相底片模糊或感光。如1879年的克鲁克斯，1890年的古德斯比德等人，但发现X射线的却是伦琴。

伦琴，1845年出生于德国的一个商人家庭，1869年在苏黎世大学获博士学位。1879年，在物理学大师亥姆霍兹和基尔霍夫等人的推荐下，伦琴担任吉森大学物理学教授和物理研究所所长。于1894年任该校校长。在其就职演说中指出：“实验是最有力可靠的手段，能使我们揭开自然界的奥秘；实验也是判断假说应当保留还是应当放弃的最后鉴定。”在1895年以前，由阴极射线管产生的X射线在

1895年11月8日傍晚，伦琴在研究阴极射线管中气体放电实验时，为了避免杂光对实验的影响，他用黑纸板将管子包起来，却发现距阴极管一段距离外的一块涂有铂氰酸钡(BaPt(CN)6)结晶物质的屏幕发出了荧光。令人惊奇的是当用木头等不透明物质挡住这种射线时，荧光屏仍然发光，而且这种射线能使黑纸包住的照相底片感光，不被电磁场偏转。一、X射线的发现一、X射线的发现经过一个多月的研究，他未能搞清这种射线的本质，因此赋予它一个神秘的名字--X射线。1895年12月28日，伦琴向德国物理学医学会递交了第一篇关于X射线的论文，《论新的射线》，并公布了他夫人的X射线手骨照片。伦琴的发现引起了极大的轰动，以致于在全世界范围内掀起了X射线研究热，1896年关于X射线的研究论文高达1000多篇。

经过一个多月的研究，他未能搞清这W.K.伦琴，德（1845-1923）第一张诺贝尔物理学奖奖状（1901）伦琴无条件地把X射线的发现奉献给人类，没有申请专利。W.K.伦琴，德（1845-1923）伦琴无条件地把X射线的(a)第一张X光相片——

伦琴夫人的左手

(b)现代的X光照片

(a)第一张X光相片——伦琴夫人的左手(b)现代X射线下……X射线下……0.011

10(Å)硬X射线软X射线λX射线波长范围及其大致分类

硬X射线：波长较短，能量较高，穿透力较强，适用于金属的无损探伤及相关分析。二、X射线的分类0.0111、X射线能使照相底片感光；

2、X射线有很大的贯穿本领；

3、X射线能使某些物质的原子、分子电离；

4、X射线是不可见光，它能使某些物质发出可见光的荧光；

5、X射线本质上是一种电磁波，同此它具有反射、折射、衍射、偏振等性质。三、X射线的性质1、X射线能使照相底片感光；三、X射线的性质四、X射线的产生X射线管四、X射线的产生X射线管封闭式X射线管实质上是一个大的真空二极管X射线管的结构示意图封闭式X射线管实质上是一个大的真空二极管X射线管的结构示意图玻璃铍窗口钨丝接变压器金属聚灯罩金属靶X射线X射线电子流冷却水“X射线管剖面示意图”演示：玻璃铍窗口钨丝接变压器金属聚灯罩金属靶X射线X射线电子流冷却

（1）阴极——发射热电子。一般由钨丝制成。（2）阳极——靶，使电子突然减速并发出X射线。（3）窗口——X射线出射通道。既能让X射线出射，又能使管密封。窗口材料用金属铍或硼酸铍锂构成的林德曼玻璃。窗口与靶面常成3-6°的斜角，以减少靶面对出射X射线的阻碍。（4）高速电子转换成X射线的效率只有1%，其余99%都作为热而散发了。所以靶材料要导热性能好，常用黄铜或紫铜制作，还需要循环水冷却。因此X射线管的功率有限，大功率需要用旋转阳极。X射线管的结构（1）阴极——发射热电子。一般由钨丝制成。X五、X射线的波动性

由经典电动力学知，加速或减速的带电粒子能辐射电磁波。因此当高速电子流在靶上受阻而停止时必将产生电磁波。伦琴当初误认为X射线与光无关，直到1906年巴拉克(英)才显示了X射线的偏振，证明了X射线的波动性。但很多人并不相信这一结果。

1912年冯·劳厄(德)设想X射线是波长很短的电磁波，可在原子规则排列的晶体上发生衍射，后来由弗里特里克和奈平通过实验确证了X射线的波动性，并测量了它的波长。

五、X射线的波动性由经典电动力学知，加速或减六、X射线的衍射(提供X射线波长测量方法)X射线的波长数量级为Å，要分辩X射线的光栅也要在Å的数量级才行。晶体有规范的原子排列，且原子间距也在Å的数量级，是天然的三维光栅。劳厄想到了这一点，但普朗克对他的想法不予支持。后来去找正在攻读博士的索末菲，经两次实验后终于成功进行了X射线的衍射实验。X射线衍射实验演示-K+A铅板感光胶片P晶片六、X射线的衍射(提供X射线波长测量方法)X晶体底片铅屏X

射线管劳厄实验(1912)X射线在晶体中的衍射晶体底铅X劳厄实验(1912)X射线在晶体中的衍射劳厄斑点

晶体可看作三维立体光栅，根据劳厄斑点的分布可算出晶面间距，掌握晶体点阵结构。SiO2的劳厄相劳厄斑点晶体可看作三维立体光栅，根据劳厄斑点德国物理学家劳厄M.von.Laue(1879-1960)德国物理学家对劳厄斑的解释1913年布喇格父子建立了布喇格公式。不但能解释劳厄斑点,而且能用于对晶体结构的研究。Bragg父子（英）

当能量很高的X射线射到晶体各层面的原子时，原子中的电子将发生强迫振荡，从而向周围发射同频率的电磁波，即产生了电磁波的散射，而每个原子则是散射的子波波源。劳厄斑正是散射的电磁波的叠加。对劳厄斑的解释1913年布喇格父子建立了布喇1、同一晶面内子波的叠加原子受迫振动发出电磁波

如图所示，设晶面上两原子间距为d，两条衍射线的光程差为:相干叠加的极大值条件是:1、同一晶面内子波的叠加原子受迫振动发出电磁波d12hd3aADa′bb′CB相邻晶面间两条衍射波之间的光程差为：相干叠加极大值条件：利用布喇格衍射公式可测量X射线的波长，也可测未知晶体的晶格常数。布喇格晶体衍射公式

不同晶面间距不同。一定波长的入射线，对于不同晶面有不同的掠射角，在满足布喇格晶体衍射公式的方向产生衍射极大。2、相邻晶面间的子波的叠加d12hd3aADa′bb′CB相邻晶面间两条衍射波之间的光多晶(粉末)照相底片X射线粉末法：晶体粉末对X射线的衍射多晶粉末法

德拜（荷兰）利用晶体粉末（压成圆柱形）对X射线的衍射作实验。多晶(粉末)照相底片X射线粉末法：晶体粉末对X射线的衍射多晶

粉末中有大量排列杂乱的微小晶体，实验时总有一些晶体的晶面满足布喇格公式而产生衍射极大，这些衍射极大形成一个顶角为2α0的圆锥面。

在底片上形成的圆弧形谱线称为德拜线，每一条谱线对应于某一晶面的衍射极大，由X射线的波长及谱线位置可确定晶体的晶格常数，从而确定晶体的空间结构。所以这种X射线晶体粉末衍射摄谱仪学用于X射线晶体结构分析中。粉末铝的德拜相粉末中有大量排列杂乱的微小晶体，实验时总有一七、旋转式X射线的摄谱仪简介

经由铅制成的狭缝后的X射线束，射到单晶体C上（C可绕竖直轴旋转），以竖直旋转轴为中心的圆弧上置照相底片。当掠射角正好满足布喇格公式时，在反射方向上得到该波长X射线的衍射极大，在底片上形成一条细黑条纹。因晶体可绕竖直轴转动，所以可得到与不同波长对应的条纹，即不同波长的X射线谱线。由晶体晶格常数与谱线位置(与掠射角)对应，可算出各条谱线的波长。而底片的黑度则对应于该波长X射线的强度。七、旋转式X射线的摄谱仪简介经由铅制成的狭缝X射线衍射的应用实例已知X射线的波长测定晶体的晶格常数。

X射线分析仪原理：X射线衍射的应用实例已知X射线的波长测定晶体的晶格常数。

1953年英国的威尔金斯、沃森和克里克利用X射线的结构分析得到了遗传基因脱氧核糖核酸(DNA)的双螺旋结构,获1962年诺贝尔生物和医学奖。

1953年英国的威尔金斯、沃森和克里克利用X射线的结构分析

实验表明，X射线谱由两部分构成连续谱：加速电压不太高时，X射线的强度随波长连续变化。线状谱：加速电压达一定值时，连续谱上叠加着某些尖峰。钼靶的标识谱叠加在连续谱上121086420相对强度0.02

0.04

0.06

0.08

1.00λ/nm20kV30kV35kV§6.2

X射线的产生机制实验表明，X射线谱由两部分构成连续谱：加速电压不太高时，一、连续谱：由轫致辐射导致连续谱

刹车辐射高速带电粒子射到阳极时，受靶核库仑场作用而速度骤减(连续变化)时产生的辐射。连续谱的特点：有一明显极限(短波波长):量子解释一个电子在电场中得到动能１eV，当它到达靶核时动能全部转化为辐射能，由此发出的光波长最短，为代入常数后即得上式（称为量子极限）。据此式，若测出外加高压则可精确地测出h一、连续谱：由轫致辐射导致连续谱刹车辐射高速带电粒子射到阳

上式最早是在实验工作中，从实验数据的总结得到的。需要指出的是，解释光电效应的Einstein方程是：当金属的逸出功很小时，近似的有：这与(1)式在形式上是完全相同的。因此，X射线连续谱可称为光电效应的逆效应。上式最早是在实验工作中，从实验数据的总结得到二、标识谱(特征辐射)1、产生条件:当电子的能量(加速电压)超过某一临界值时，除有连续谱外，还在连续谱的背景上迭加一些线状谱。

2、特征:线状谱的位置和结构与阳极材料有关，即不同元素的阳极材料发射的线状光谱虽有相似结构，但波长不同，按原子序数顺序排列时，波长依次变化，不显示周期性变化。每种元素都有一特定的波长的线状光谱，即特征X射线谱成为这种元素的标证。二、标识谱(特征辐射)1、产生条件:当电子

3、产生机制:从阴极发出的高速电子打到阳极上，由于电子能量很高，它能深入到原子的内层，将内壳层电子之一击出原子之外，使原子电离，并在内壳层出现一个空穴。当邻近内壳层的电子跃迁到这个空穴时，就发射出波长很短的X射线，由于内壳层能级分立，所以产生X射线的线状谱。原子序数较大的元素，内壳层能级间隔就越大，发出的X射线的光子能量高，波长就短，所以波长依次变化，不具有周期性。3、产生机制:从阴极发出的

莫塞莱定律反映的是各元素标识谱的频率与Z的近似关系,第一次提供了精确测量Z的方法。激发电子的屏蔽常数σ与电子所在壳层n有关。三、莫塞莱定律1913年，英国物理学家Moseley通过对不同元素(不同Z)的X射线标识谱加以分析(共分析了从钴到金的38种元素)，发现一个规律：对同一线系的某条谱线来说，不同元素的X射线频率的平方根与原子序数Z成线性关系。对于Kα线的莫塞莱经验公式：（两种表示法）莫塞莱定律反映的是各元素标识谱的频率与Z的近式中σ反映了跃迁电子之外的电子对核的总屏蔽效应，即跃迁电子感受到的有效电荷是Z-σ，这样当n=2上的电子向n=1跃迁产生Kα线时，我们有

玻尔于1913年发表了三篇文章提出关于原子的量子学说，这直接启发了莫塞莱，他发现他的经验公式可从玻尔理论导出。根据玻尔理论，内壳层中缺一个电子的状态与碱金属原子中n能级的状态相似，所以n能级的状态能近似用碱金属原子能级公式表示：实验表明，将其余常数代入得式中σ反映了跃迁电子之外的电子对核的总屏蔽效应，即跃迁电子感10

20

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0.2ZX射线线系的莫塞莱图

以波数的平方根为纵坐标。对于重元素，这些图基本为直线；对于轻元素会有所偏离。1020304050四、产生特征辐射的前提条件外层电子向内层跃迁的前提必须先使内层电子电离而产生“空穴”产生空穴的方法

有多种，如用高能电子束、质子束、X射线等轰击原子内层电子…

当原子内层产生空穴后，较外层电子立即自发地填充空穴，同时以辐射光子的方式释放多余的能量，即发射X射线。四、产生特征辐射的前提条件外层电子向内层跃迁的前提必须先使内一、X射线的能级示意图产生特征X射线的电子跃迁服从的选择定则原子态K线系L线系X射线因电子跃迁方式不同而分为几个线系。同一线系中又以初态的不同再用脚码αβγ等标注不同的谱线。因能级的精细结构，Kα又分为Kα1和Kα2。同X射线有关的原子能级一、X射线的能级示意图产生特征X射线的电子跃迁服从的选择定则K态（击走K电子）L态（击走L电子）M态（击走M电子）N态（击走N电子）击走价电子中性原子原子的能量电子冲击阳级靶X射线射出“连续X射线产生过程”演示K态（击走K电子）L态（击走L电子）M态（击走M电子）N态（K态（击走K电子）L态（击走L电子）M态（击走M电子）N态（击走N电子）击走价电子中性原子原子的能量K激发L激发Ka辐射Kβ辐射L辐射“标识X射线产生过程”演示K态（击走K电子）L态（击走L电子）M态（击走M电子）N态（

K层电子被击出时，原子系统能量由基态升到K激发态，高能级电子向K层空位填充时产生K系辐射。L层电子填充空位时，产生Kα辐射；M层电子填充空位时产生Kβ辐射。

由能级可知Kβ辐射的光子能量大于Kα的能量，但K层与L层为相邻能级，L层电子填充几率大，所以Kα的强度约为Kβ的5倍。K系激发机理K层电子被击出时，原子系统能量由基态升到K激

设K层有一个空穴，L层的一个电子跃迁到K层并释放X射线，也可能不释放X射线而将多余能量传递给另一层（例如M层）的一个电子而使这一电子脱离原子（“二次电离效应”），此电子称为俄歇电子。原子内壳层产生空穴后释放能量的两种途径or：释放X射线（重元素的几率较大）or

：发射俄歇电子（轻元素的几率较大）二、标识谱产生的其它效应1、俄歇电子（1923，由法国物理学家俄歇发现）设K层有一个空穴，L层的一个电子跃迁到K层并

设ε为相应层的结合能，电子由L向K跃迁释放能量（εK-εL），如这部分能量被M层中的一个电子获得，则从M层发出的俄歇电子的动能为：完全取决于元素自身，可作为分析元素的手段2、核激发效应：内层电子间的跃迁，将能量传给原子核，使原子核跃迁到激发态。此效应是日本物理学家森田正一提出的，并被实验所证实。设ε为相应层的结合能，电子由L向K跃迁释放能

设一束X射线，射向吸收体前强度是I0，通过厚度为dx的吸收体后，强度增量为dI。减少量-dI将正比于dx和通过dx时的强度I，若取比例系数为μ，则-dI=μI(x)dx两边积分得可见强度I(x)随厚度x指数衰减。§6.3X射线的吸收一、强度表达式设一束X射线，射向吸收体前强度是I0，通过厚1、线性吸收系数二、关于吸收系数的讨论上式中，x单位：cm，μ单位：cm-1，称其为线性吸收系数。通常定义μx=1时的x为吸收长度，即吸收长度等于1/μ，它表示透射粒子占入射粒子37%时吸收体的厚度。1、线性吸收系数二、关于吸收系数的讨论上式中，x单位：cm，式中ρx称为质量厚度，单位是g/cm2；μ/ρ称为质量吸收系数，单位为cm2/g。2、质量吸收系数

为了使吸收系数的数值不依赖于吸收体的物理状态（汽、液、固），定义质量吸收系数μ/ρ，其中ρ是吸收体密度。则

μ/ρ不再依赖吸收体的物理状态，因而更能反映吸收体的吸收本领，同时也给测量带来方便。式中ρx称为质量厚度，单位是g/cm2；μ/ρ称为质量吸收

在μ—E图中，在某一个能量E处，μ发生突变，称之为吸收限。三、吸收限在μ—E图中，在某一个能量E处，μ发生突变，称之为吸收

产生吸收限的原因是：当X射线的能量恰能将吸收体某一内层电子电离，从而引起原子的共振吸收。产生吸收限的原因是：当X射线的能量恰能将吸收K吸收限表示光子的能量足以使一个1s电子脱离原子；

L吸收限表示光子的能量足以使一个2s电子脱离原子；

……

吸收限的存在，再一次有力地证实了原子中电子壳层结构的实在性。K吸收限表示光子的能量足以使一个1s电子脱离

心血管阻塞是严重的心血管病变，治疗的第一步是查出阻塞的地点。常用的方法是心血管造影。

在血管中注入造影剂碘（131I）；I对X射线吸收要比肌肉、骨骼对X射线吸收强得多。因此，在X光照射下，哪里血管有阻塞，I无法达到，哪里就能被显示出来。它的原理是：四、吸收限的应用在心血管造影术上的应用

但这种方法要求有较大浓度才能造影，所以早期是将很细的导管插入人体股动脉，在导管中注入碘再造影，病人痛苦而且有一定危险。心血管阻塞是严重的心血管病变，治疗的第一步是

新的造影术利用碘的K吸收限，在碘的浓度不是很大时，用两种能量E1、E2的X射线分别造影；E1、E2分别在K吸收限的上下端，相差很小，则E1吸收系数很小，E2吸收系数很大，对两次造影的μ进行数值处理并相减，以消除肌肉和骨骼的影响。

两次造影时，肌肉、骨骼对μ的贡献是几乎相同的。剩下的仅是碘对μ射线吸收的贡献。如果某一个部位两次造影值相减后几乎为零，说明没有碘的贡献，这就很容易查出血管阻塞处。新的造影术利用碘的K吸收限，在碘的浓度不是很

采用这种方法，碘通过静脉注入血管，在全身扩散后，尽管浓度不大，也能达到很好的造影效果。采用这种方法，碘通过静脉注入血管，在全身扩散§6.4康普顿效应（证明X射线的粒子性）（1923）A.H.Compton美,(1892-1962）X射线与物质作用时，被散射的X射线中有波长增长（频率减小）的成分出现，并且波长的增长量随着散射角的增大而增大，和散射材料无关。获1927年度诺贝尔物理学奖X射线管-+光阑散射晶体探测器θ0散射线中有两种波长0

、

随散射角的增大而增大实验规律§6.4康普顿效应（证明X射线的粒子性）（1923）A.一、经典物理解释散射晶体θ受迫振动

单色电磁波照射电子受迫振动发射同频率散射线说明：经典理论只能说明波长不变的散射，而不能说明康普顿散射。一、经典物理解释散射晶体θ受迫振动单色电磁波照射电子受迫振1、入射光子与外层电子弹性碰撞二、量子解释外层电子受原子核束缚较弱动能＜＜光子能量

近似自由近似静止静止自由电子体系的能量、动量守恒1、入射光子与外层电子弹性碰撞二、量子解释外层受原子核束缚必须考虑相对论效应康普顿散射公式经改写后可得上式表明:散射光子的能量是入射光子能量的函数。利用：经整理后得散射光子的能量公式反冲电子的最大能量和光子的最小能量：必须考虑相对论效应康普顿经改写后可得上式表明:散射光子的能量2、X射线光子和原子内层电子相互作用光子质量远小于原子，碰撞时光子不损失能量，波长不变。内层电子被紧紧束缚，光子相当于和整个原子发生碰撞。光子内层电子外层电子波长变大的散射线波长不变的散射线三、物理意义入射光子的能量与电子静止能量相等时，相应的光子波长：可理解为:在θ＝π/2时，入射波与散射波的波长之差.1、电子的康普顿波长：2、X射线光子和原子内层电子相互作用光子质量远小于原子，碰撞2、△λ只决定于θ而与λ无关入射波波长的最大增值当θ＝π时得到康普顿散射引起的最大位移Δλ只有对λ≤0.1nm的X射线才能使Δλ/λ大到足以观察的程度。对实际测量来说，有意义的是Δλ/λ如：对于500nm的可见光，Δλ/λ小得无法被量度。这就是为什么只有在X射线散射中才观察到康普顿效应的缘故。四、康普顿散射与基本常数

在康普顿散射公式中，h和c都起关键作用。若h→0，c→∞，则△λ→0，即回到经典物理。

上述理论结果与实验相符，故康普顿散射有力地支持了光的粒子性和狭义相对论。康普顿散射提供了：1）独立测定h的方法！2）测定光子能量hν的方法！2、△λ只决定于θ而与λ无关入射波波长的最大增值当θ＝π时得波长0

轻物质（多数电子处于弱束缚状态）弱强重物质（多数电子处于强束缚状态）强弱吴有训（1897-1977），我国近代物理学奠基人之一。以系统、精湛的实验为康普顿效应的确立做出了重要贡献。其实验结果见右图。波长0轻物质（多数电子处于弱束缚状态）弱强重物例：λ0=0.02nm的X射线与静止的自由电子碰撞，若从与入射线成900的方向观察散射线，求散射线的波长λ。能量守恒，反冲电子动能等于光子能量之差解：动量守恒根据动能、动量关系波长为例：λ0=0.02nm的X射线与静止的自由电子碰撞，若从与五、光子与物质的相互作用1、多次小相互作用：（典型实例：康普顿散射）

光子束与物质中电子的作用引起光子的能量损失和方向偏转。因此，光子束穿过吸收体后，能量降低并有一个弥散。2、全或无相互作用：（典型实例：光电效应）

光子要么不受相互作用，要么经一次相互作用后就从射线中束中消失。3、电子偶效应：

当光子能量大于电子静止能量的两倍（即1.02MeV）时，光子在原子核附近转化为一对正负电子。

三种效应的重要性随吸收物的不同而不同，也随光子能量的不同而不同。光子与物质的三种相互作用E/MeVZ光电效应为主康普顿效应为主电子偶效应为主五、光子与物质的相互作用1、多次小相互作用：X射线与物质的相互作用康普顿效应X射线与物质的相互作用康普顿效应§6.1X射线的发现及其波动性§6.3康普顿效应X射线的产生机制§6.2教学内容§6.4

X射线的吸收第六章X射线§6.1X射线的发现及其波动性§6.3康普顿教学要求（1）了解X射线发现的实验事实、产生方法，掌握X射线的连续谱与标识谱的特征和产生的机制，解释同X射线有关的原子能级产生的原因。（2）了解X射线的吸收的规律，掌握康普顿散射，理解光子与物质的相互作用，了解—同步辐射装置的原理与应用。（3）了解X射线在晶体中的衍射的规律。教学要求（1）了解X射线发现的实验事实、产生方法，掌握X射重点X射线连续谱与标识谱及产生机制莫色勒定律康普顿散射难点X射线的连续谱与标识谱产生机制莫色勒定律康普顿散射重点难点§6.1X射线的发现及其波动性电磁波谱X射线的发现X射线的衍射X射线的偏振§6.1X射线的发现及其波动性电磁波谱X射线的发现X760nm400nm

可见光

电磁波谱红外线

紫外线

射线X射线长波无线电波频率波长短波无线电波无线电波可见光红外线紫外光X射线

射线760nm400nm可见光电磁波谱红外线十九世纪末的三大发现，揭开了近代物理的序幕：（1）1895年德国的Rontgen（伦琴）发现X射线；（2）1896年，法国的Becguerel（贝克勒尔）发现了放射性；（3）1897年，英国的Thomson（汤姆逊）发现了电子。十九世纪末的三大发现，揭开了近代物理的序幕：

在1895年以前，由阴极射线管产生的X射线在实验里已经存在了30多年，在射线发现前，不断有人抱怨，放在阴极射线管附近的照相底片模糊或感光。如1879年的克鲁克斯，1890年的古德斯比德等人，但发现X射线的却是伦琴。

伦琴，1845年出生于德国的一个商人家庭，1869年在苏黎世大学获博士学位。1879年，在物理学大师亥姆霍兹和基尔霍夫等人的推荐下，伦琴担任吉森大学物理学教授和物理研究所所长。于1894年任该校校长。在其就职演说中指出：“实验是最有力可靠的手段，能使我们揭开自然界的奥秘；实验也是判断假说应当保留还是应当放弃的最后鉴定。”在1895年以前，由阴极射线管产生的X射线在

1895年11月8日傍晚，伦琴在研究阴极射线管中气体放电实验时，为了避免杂光对实验的影响，他用黑纸板将管子包起来，却发现距阴极管一段距离外的一块涂有铂氰酸钡(BaPt(CN)6)结晶物质的屏幕发出了荧光。令人惊奇的是当用木头等不透明物质挡住这种射线时，荧光屏仍然发光，而且这种射线能使黑纸包住的照相底片感光，不被电磁场偏转。一、X射线的发现一、X射线的发现经过一个多月的研究，他未能搞清这种射线的本质，因此赋予它一个神秘的名字--X射线。1895年12月28日，伦琴向德国物理学医学会递交了第一篇关于X射线的论文，《论新的射线》，并公布了他夫人的X射线手骨照片。伦琴的发现引起了极大的轰动，以致于在全世界范围内掀起了X射线研究热，1896年关于X射线的研究论文高达1000多篇。

经过一个多月的研究，他未能搞清这W.K.伦琴，德（1845-1923）第一张诺贝尔物理学奖奖状（1901）伦琴无条件地把X射线的发现奉献给人类，没有申请专利。W.K.伦琴，德（1845-1923）伦琴无条件地把X射线的(a)第一张X光相片——

伦琴夫人的左手

(b)现代的X光照片

(a)第一张X光相片——伦琴夫人的左手(b)现代X射线下……X射线下……0.011

10(Å)硬X射线软X射线λX射线波长范围及其大致分类

硬X射线：波长较短，能量较高，穿透力较强，适用于金属的无损探伤及相关分析。二、X射线的分类0.0111、X射线能使照相底片感光；

2、X射线有很大的贯穿本领；

3、X射线能使某些物质的原子、分子电离；

4、X射线是不可见光，它能使某些物质发出可见光的荧光；

5、X射线本质上是一种电磁波，同此它具有反射、折射、衍射、偏振等性质。三、X射线的性质1、X射线能使照相底片感光；三、X射线的性质四、X射线的产生X射线管四、X射线的产生X射线管封闭式X射线管实质上是一个大的真空二极管X射线管的结构示意图封闭式X射线管实质上是一个大的真空二极管X射线管的结构示意图玻璃铍窗口钨丝接变压器金属聚灯罩金属靶X射线X射线电子流冷却水“X射线管剖面示意图”演示：玻璃铍窗口钨丝接变压器金属聚灯罩金属靶X射线X射线电子流冷却

（1）阴极——发射热电子。一般由钨丝制成。（2）阳极——靶，使电子突然减速并发出X射线。（3）窗口——X射线出射通道。既能让X射线出射，又能使管密封。窗口材料用金属铍或硼酸铍锂构成的林德曼玻璃。窗口与靶面常成3-6°的斜角，以减少靶面对出射X射线的阻碍。（4）高速电子转换成X射线的效率只有1%，其余99%都作为热而散发了。所以靶材料要导热性能好，常用黄铜或紫铜制作，还需要循环水冷却。因此X射线管的功率有限，大功率需要用旋转阳极。X射线管的结构（1）阴极——发射热电子。一般由钨丝制成。X五、X射线的波动性

由经典电动力学知，加速或减速的带电粒子能辐射电磁波。因此当高速电子流在靶上受阻而停止时必将产生电磁波。伦琴当初误认为X射线与光无关，直到1906年巴拉克(英)才显示了X射线的偏振，证明了X射线的波动性。但很多人并不相信这一结果。

1912年冯·劳厄(德)设想X射线是波长很短的电磁波，可在原子规则排列的晶体上发生衍射，后来由弗里特里克和奈平通过实验确证了X射线的波动性，并测量了它的波长。

五、X射线的波动性由经典电动力学知，加速或减六、X射线的衍射(提供X射线波长测量方法)X射线的波长数量级为Å，要分辩X射线的光栅也要在Å的数量级才行。晶体有规范的原子排列，且原子间距也在Å的数量级，是天然的三维光栅。劳厄想到了这一点，但普朗克对他的想法不予支持。后来去找正在攻读博士的索末菲，经两次实验后终于成功进行了X射线的衍射实验。X射线衍射实验演示-K+A铅板感光胶片P晶片六、X射线的衍射(提供X射线波长测量方法)X晶体底片铅屏X

射线管劳厄实验(1912)X射线在晶体中的衍射晶体底铅X劳厄实验(1912)X射线在晶体中的衍射劳厄斑点

晶体可看作三维立体光栅，根据劳厄斑点的分布可算出晶面间距，掌握晶体点阵结构。SiO2的劳厄相劳厄斑点晶体可看作三维立体光栅，根据劳厄斑点德国物理学家劳厄M.von.Laue(1879-1960)德国物理学家对劳厄斑的解释1913年布喇格父子建立了布喇格公式。不但能解释劳厄斑点,而且能用于对晶体结构的研究。Bragg父子（英）

当能量很高的X射线射到晶体各层面的原子时，原子中的电子将发生强迫振荡，从而向周围发射同频率的电磁波，即产生了电磁波的散射，而每个原子则是散射的子波波源。劳厄斑正是散射的电磁波的叠加。对劳厄斑的解释1913年布喇格父子建立了布喇1、同一晶面内子波的叠加原子受迫振动发出电磁波

如图所示，设晶面上两原子间距为d，两条衍射线的光程差为:相干叠加的极大值条件是:1、同一晶面内子波的叠加原子受迫振动发出电磁波d12hd3aADa′bb′CB相邻晶面间两条衍射波之间的光程差为：相干叠加极大值条件：利用布喇格衍射公式可测量X射线的波长，也可测未知晶体的晶格常数。布喇格晶体衍射公式

不同晶面间距不同。一定波长的入射线，对于不同晶面有不同的掠射角，在满足布喇格晶体衍射公式的方向产生衍射极大。2、相邻晶面间的子波的叠加d12hd3aADa′bb′CB相邻晶面间两条衍射波之间的光多晶(粉末)照相底片X射线粉末法：晶体粉末对X射线的衍射多晶粉末法

德拜（荷兰）利用晶体粉末（压成圆柱形）对X射线的衍射作实验。多晶(粉末)照相底片X射线粉末法：晶体粉末对X射线的衍射多晶

粉末中有大量排列杂乱的微小晶体，实验时总有一些晶体的晶面满足布喇格公式而产生衍射极大，这些衍射极大形成一个顶角为2α0的圆锥面。

在底片上形成的圆弧形谱线称为德拜线，每一条谱线对应于某一晶面的衍射极大，由X射线的波长及谱线位置可确定晶体的晶格常数，从而确定晶体的空间结构。所以这种X射线晶体粉末衍射摄谱仪学用于X射线晶体结构分析中。粉末铝的德拜相粉末中有大量排列杂乱的微小晶体，实验时总有一七、旋转式X射线的摄谱仪简介

经由铅制成的狭缝后的X射线束，射到单晶体C上（C可绕竖直轴旋转），以竖直旋转轴为中心的圆弧上置照相底片。当掠射角正好满足布喇格公式时，在反射方向上得到该波长X射线的衍射极大，在底片上形成一条细黑条纹。因晶体可绕竖直轴转动，所以可得到与不同波长对应的条纹，即不同波长的X射线谱线。由晶体晶格常数与谱线位置(与掠射角)对应，可算出各条谱线的波长。而底片的黑度则对应于该波长X射线的强度。七、旋转式X射线的摄谱仪简介经由铅制成的狭缝X射线衍射的应用实例已知X射线的波长测定晶体的晶格常数。

X射线分析仪原理：X射线衍射的应用实例已知X射线的波长测定晶体的晶格常数。

1953年英国的威尔金斯、沃森和克里克利用X射线的结构分析得到了遗传基因脱氧核糖核酸(DNA)的双螺旋结构,获1962年诺贝尔生物和医学奖。

1953年英国的威尔金斯、沃森和克里克利用X射线的结构分析

实验表明，X射线谱由两部分构成连续谱：加速电压不太高时，X射线的强度随波长连续变化。线状谱：加速电压达一定值时，连续谱上叠加着某些尖峰。钼靶的标识谱叠加在连续谱上121086420相对强度0.02

0.04

0.06

0.08

1.00λ/nm20kV30kV35kV§6.2

X射线的产生机制实验表明，X射线谱由两部分构成连续谱：加速电压不太高时，一、连续谱：由轫致辐射导致连续谱

刹车辐射高速带电粒子射到阳极时，受靶核库仑场作用而速度骤减(连续变化)时产生的辐射。连续谱的特点：有一明显极限(短波波长):量子解释一个电子在电场中得到动能１eV，当它到达靶核时动能全部转化为辐射能，由此发出的光波长最短，为代入常数后即得上式（称为量子极限）。据此式，若测出外加高压则可精确地测出h一、连续谱：由轫致辐射导致连续谱刹车辐射高速带电粒子射到阳

上式最早是在实验工作中，从实验数据的总结得到的。需要指出的是，解释光电效应的Einstein方程是：当金属的逸出功很小时，近似的有：这与(1)式在形式上是完全相同的。因此，X射线连续谱可称为光电效应的逆效应。上式最早是在实验工作中，从实验数据的总结得到二、标识谱(特征辐射)1、产生条件:当电子的能量(加速电压)超过某一临界值时，除有连续谱外，还在连续谱的背景上迭加一些线状谱。

2、特征:线状谱的位置和结构与阳极材料有关，即不同元素的阳极材料发射的线状光谱虽有相似结构，但波长不同，按原子序数顺序排列时，波长依次变化，不显示周期性变化。每种元素都有一特定的波长的线状光谱，即特征X射线谱成为这种元素的标证。二、标识谱(特征辐射)1、产生条件:当电子

3、产生机制:从阴极发出的高速电子打到阳极上，由于电子能量很高，它能深入到原子的内层，将内壳层电子之一击出原子之外，使原子电离，并在内壳层出现一个空穴。当邻近内壳层的电子跃迁到这个空穴时，就发射出波长很短的X射线，由于内壳层能级分立，所以产生X射线的线状谱。原子序数较大的元素，内壳层能级间隔就越大，发出的X射线的光子能量高，波长就短，所以波长依次变化，不具有周期性。3、产生机制:从阴极发出的

莫塞莱定律反映的是各元素标识谱的频率与Z的近似关系,第一次提供了精确测量Z的方法。激发电子的屏蔽常数σ与电子所在壳层n有关。三、莫塞莱定律1913年，英国物理学家Moseley通过对不同元素(不同Z)的X射线标识谱加以分析(共分析了从钴到金的38种元素)，发现一个规律：对同一线系的某条谱线来说，不同元素的X射线频率的平方根与原子序数Z成线性关系。对于Kα线的莫塞莱经验公式：（两种表示法）莫塞莱定律反映的是各元素标识谱的频率与Z的近式中σ反映了跃迁电子之外的电子对核的总屏蔽效应，即跃迁电子感受到的有效电荷是Z-σ，这样当n=2上的电子向n=1跃迁产生Kα线时，我们有

玻尔于1913年发表了三篇文章提出关于原子的量子学说，这直接启发了莫塞莱，他发现他的经验公式可从玻尔理论导出。根据玻尔理论，内壳层中缺一个电子的状态与碱金属原子中n能级的状态相似，所以n能级的状态能近似用碱金属原子能级公式表示：实验表明，将其余常数代入得式中σ反映了跃迁电子之外的电子对核的总屏蔽效应，即跃迁电子感10

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0.2ZX射线线系的莫塞莱图

以波数的平方根为纵坐标。对于重元素，这些图基本为直线；对于轻元素会有所偏离。1020304050四、产生特征辐射的前提条件外层电子向内层跃迁的前提必须先使内层电子电离而产生“空穴”产生空穴的方法

有多种，如用高能电子束、质子束、X射线等轰击原子内层电子…

当原子内层产生空穴后，较外层电子立即自发地填充空穴，同时以辐射光子的方式释放多余的能量，即发射X射线。四、产生特征辐射的前提条件外层电子向内层跃迁的前提必须先使内一、X射线的能级示意图产生特征X射线的电子跃迁服从的选择定则原子态K线系L线系X射线因电子跃迁方式不同而分为几个线系。同一线系中又以初态的不同再用脚码αβγ等标注不同的谱线。因能级的精细结构，Kα又分为Kα1和Kα2。同X射线有关的原子能级一、X射线的能级示意图产生特征X射线的电子跃迁服从的选择定则K态（击走K电子）L态（击走L电子）M态（击走M电子）N态（击走N电子）击走价电子中性原子原子的能量电子冲击阳级靶X射线射出“连续X射线产生过程”演示K态（击走K电子）L态（击走L电子）M态（击走M电子）N态（K态（击走K电子）L态（击走L电子）M态（击走M电子）N态（击走N电子）击走价电子中性原子原子的能量K激发L激发Ka辐射Kβ辐射L辐射“标识X射线产生过程”演示K态（击走K电子）L态（击走L电子）M态（击走M电子）N态（

K层电子被击出时，原子系统能量由基态升到K激发态，高能级电子向K层空位填充时产生K系辐射。L层电子填充空位时，产生Kα辐射；M层电子填充空位时产生Kβ辐射。

由能级可知Kβ辐射的光子能量大于Kα的能量，但K层与L层为相邻能级，L层电子填充几率大，所以Kα的强度约为Kβ的5倍。K系激发机理K层电子被击出时，原子系统能量由基态升到K激

设K层有一个空穴，L层的一个电子跃迁到K层并释放X射线，也可能不释放X射线而将多余能量传递给另一层（例如M层）的一个电子而使这一电子脱离原子（“二次电离效应”），此电子称为俄歇电子。原子内壳层产生空穴后释放能量的两种途径or：释放X射线（重元素的几率较大）or

：发射俄歇电子（轻元素的几率较大）二、标识谱产生的其它效应1、俄歇电子（1923，由法国物理学家俄歇发现）设K层有一个空穴，L层的一个电子跃迁到K层并

设ε为相应层的结合能，电子由L向K跃迁释放能量（εK-εL），如这部分能量被M层中的一个电子获得，则从M层发出的俄歇电子的动能为：完全取决于元素自身，可作为分析元素的手段2、核激发效应：内层电子间的跃迁，将能量传给原子核，使原子核跃迁到激发态。此效应是日本物理学家森田正一提出的，并被实验所证实。设ε为相应层的结合能，电子由L向K跃迁释放能

设一束X射线，射向吸收体前强度是I0，通过厚度为dx的吸收体后，强度增量为dI。减少量-dI将正比于dx和通过dx时的强度I，若取比例系数为μ，则-dI=μI(x)dx两边积分得可见强度I(x)随厚度x指数衰减。§6.3X射线的吸收一、强度表达式设一束X射线，射向吸收体前强度是I0，通过厚1、线性吸收系数二、关于吸收系数的讨论上式中，x单位：cm，μ单位：cm-1，称其为线性吸收系数。通常定义μx=1时的x为吸收长度，即吸收长度等于1/μ，它表示透射粒子占入射粒子37%时吸收体的厚度。1、线性吸收系数二、关于吸收系数的讨论上式中，x单位：cm，式中ρx称为质量厚度，单位是g/cm2；μ/ρ称为质量吸收系数，单位为cm2/g。2、质量吸收系数

为了使吸收系数的数值不依赖于吸收体的物理状态（汽、液、固），定义质量吸收系数μ/ρ，其中ρ是吸收体密度。则

μ/ρ不再依赖吸收体的物理状态，因而更能反映吸收体的吸收本领，同时也给测量带来方便。式中ρx称为质量厚度，单位是g/cm2；μ/ρ称为质量吸收

在μ—E图中，在某一个能量E处，μ发生突变，称之为吸收限。三、吸收限在μ—E图中，在某一个能量E处，μ发生突变，称之为吸收

产生吸收限的原因是：当X射线的能量恰能将吸收体某一内层电子电离，从而引起原子的共振吸收。产生吸收限的原因是：当X射线的能量恰能将吸收K吸收限表示光子的能量足以使一个1s电子脱离原子；

L吸收限表示光子的能量足以使一个2s电子脱离原子；

……

吸收限的存在，再一次有力地证实了原子中电子壳层结构的实在性。K吸收限表示光子的能量足以使一个1s电子脱离

心血管阻塞是严重的心血管病变，治疗的第一步是查出阻塞的地点。常用的方法是心血管造影。

在血管中注入造影剂碘（131I）；I对X射线吸收要比肌肉、骨骼对X射线吸收强得多。因此，在X光照射下，哪里血管有阻塞，I无法达到，哪里就能被显示出来。它的原理是：四、吸收限的应用在心血管造影术上的应用

但这种方法要求有较大浓度才能造影，所以早期是将很细的导管插入人体股动脉，